Пленки из жидкокристаллических полимеров (ЖКП) в электронной промышленности

1 Введение

Жидкокристаллические полимеры (ЖКП) - это уникальный класс высокоэффективных полимеров, которые проявляют жидкокристаллическое поведение при нагревании или растворении в растворителях. Это свойство придает ЖКП характерное сочетание текучести и молекулярной упорядоченности, в результате чего получается материал, известный своей исключительной термостойкостью, диэлектрическими свойствами и стабильностью размеров.

Характеризуясь жесткой стержнеподобной молекулярной структурой, LCP обладают плотной молекулярной упаковкой и высокими межмолекулярными силами, обеспечивая превосходные высокотемпературные характеристики, сверхнизкое водопоглощение и выдающиеся свойства текучести. После разработки в 1970-х годах LCP-материалы были разделены на типы I, II и III, каждый из которых отличается уникальным структурным составом и тепловыми свойствами, подходящими для различных применений в электронике, телекоммуникациях и промышленном производстве.

Среди LCP-продуктов особенно ценятся пленки LCP, которые отличаются стабильностью в условиях высоких скоростей и частот, что делает их идеальными для современной электронной упаковки и систем связи.

Рис. 1 Принцип работы жидкокристаллического дисплея

2 Введение в пленку LCP

2.1 Что такое пленка LCP?

Жидкокристаллический полимер (ЖКП) - это макромолекула, которая может существовать в жидкокристаллическом состоянии после расплавления под воздействием тепла или растворения в растворителе. После расплавления или растворения растворителем он превращается из жесткого неподвижного в жидкое текучее вещество, сохраняя при этом ориентацию и порядок кристаллического вещества. Таким образом, жидкая текучесть и кристаллические молекулы формируются в упорядоченном расположении характеристик жидкокристаллического состояния, известного как "супер инженерные пластики". С точки зрения молекулярной структуры, LCP имеет жесткую стержнеобразную структуру молекулярной цепи, молекулярная цепь может быть сильно ориентирована, структура укладки близка, большие межмолекулярные силы. Благодаря особой молекулярной структуре, по сравнению с другими полимерными материалами, он обладает превосходной высокотемпературной стойкостью, диэлектрическими свойствами, хорошей стабильностью размеров, сверхвысокой текучестью и сверхнизким водопоглощением.

Рис. 2 Молекулярная структура различных состояний материи

2.2 История развития пленки LCP

Развитие жидкокристаллических полимеров (ЖКП) происходило на протяжении нескольких десятилетий, причем инновации появлялись в разных регионах и у разных компаний. Историю производства ЖКП можно проследить с начала 1970-х годов, когда были представлены различные типы ЖКП.

• Тип I LCP: первый коммерческий LCP, известный как Ekonol, был разработан в США в 1972 году. В его основе лежали такие мономеры, как п-гидроксибензойная кислота (PHB), бисфенол А (BP) и терефталевая кислота (TPA), что придавало ему высокую жесткость молекулярной структуры и отличную термостойкость, что делало его пригодным для изготовления электронных компонентов, таких как разъемы. В 1979 году японская компания Sumitomo Chemical усовершенствовала эту технологию, самостоятельно разработав серию E2000, что сделало Японию ключевым игроком в производстве LCP.
• Тип II LCP: В 1984 году компания Hoechst-Celanese представила тип II LCP под торговой маркой Vectra, что ознаменовало значительный скачок в технологии LCP. LCP типа II, состоящий из п-гидроксибензойной кислоты (PHB) и 6-гидрокси-2-нафтойной кислоты (HNA), имел более простой молекулярный состав и лучшие механические свойства, что делало его особенно подходящим для изготовления антенных материалов. К 1996 году эта технология распространилась по всему миру, и компания Polyplastics выпускала LCP под маркой LAPEROS.
• Тип III LCP: компания Eastman Kodak представила тип III LCP в 1976 году, а его производство началось в 1986 году под маркой X-7G. Этот тип отличался гибкой структурой на основе сложных эфиров, сочетающей HBA (п-гидроксибензойную кислоту) и PET (полиэтилентерефталат), но его пониженная термостойкость ограничивала его применение в основном пластиковыми соединительными трубками и датчиками.

Рис. 3 История развития LCP

2.3 Классификация пленок LCP

Пленки LCP можно классифицировать по их молекулярным свойствам, методам обработки и конечным применениям. Эти классификации помогают определить подходящий материал LCP для различных промышленных целей.

2.3.1. Классификация по образованию жидких кристаллов

В соответствии с различными условиями образования жидких кристаллов, ЖКП можно классифицировать на лиотропные ЖКП (LLCP), термотропные ЖКП (TLCP) и пьезотропные жидкие кристаллы.

• Пьезотропные жидкие кристаллы встречаются относительно редко;
• Лиотропные ЖКП требуют обработки в растворе и обычно используются в качестве волокон и покрытий;
• Термотропные ЖКП можно обрабатывать в расплавленном состоянии для получения материалов, пригодных для литья под давлением, волокон и пленок. В настоящее время они являются наиболее широко используемыми.

Рис. 4 Схема ОООП и ТЛКП

2.3.2. Классификация по классу продукции

В соответствии с требованиями к продукции, LCP можно разделить на материалы для литья под давлением, пленки и волокна.

• МатериалLCP инжекционного класса в основном используется для литья под давлением для формирования сложных геометрических форм за счет текучести при высоких температурах. Он обладает отличной термостойкостью, химической стойкостью и механической прочностью и подходит для производства высокоточных деталей.
• Пленочный LCP в основном используется для производства высокоэффективных пленок с хорошей теплостойкостью, электроизоляцией и химической стабильностью. Основным преимуществом LCP-пленок является низкая диэлектрическая проницаемость и низкие диэлектрические потери, что делает их особенно подходящими для высокочастотных применений в электронике и электротехнической промышленности.
• Волокнистый LCP может быть переработан в высокопрочные волокна с высокой прочностью на разрыв и модулем упругости и часто используется для армирования композитных материалов. Волокнистый LCP обладает превосходной термостойкостью, химической стабильностью и стабильностью размеров, что делает его пригодным для применения в высокоэффективных волокнах.

2.3.3. Классификация по термостойкости и молекулярной структуре

Исходя из различий между синтезированными мономерами и свойствами при нагревании, LCP-материалы можно разделить на тип I, тип II и тип III.

• Молекулярная структура LCP-мембраны типа I состоит из п-гидроксибензойной кислоты, бисфенола А и фталевой кислоты (PHB, BP и TPA). Тип I LCP температура теплового искажения в 250-350 ℃, термостойкость относительно хорошая, но в отличие от этого, производительность обработки типа I LCP является слабым, в основном используется для электронных компонентов, таких как разъемы.
• Тип II LCP фильм тип II мономер состоит из п-гидроксибензойной кислоты и 6-гидрокси-2-нафталин карбоновой кислоты (PHB и HNA), температура теплового искажения диапазоне 180-250 ℃; в высокой термостойкостью в то же время учитывать производительность обработки материала, наиболее подходящим для использования в качестве антенных материалов.
• Тип III мономер состоит из HBA и PET, температура теплового искажения составляет 100-200 ℃, тип III LCP температура теплового искажения, и термостойкие характеристики относительно слабы, поэтому он менее используется в настоящее время.

Таблица 1 3 Типы LCP

Типы	Температура тепловой деформации	Молекулярная структура
Тип I	250-350℃
Тип II	180-250℃
Тип III	100-200℃

3 Характеристики пленки LCP

3.1 Стабильно низкая диэлектрическая проницаемость и диэлектрические потери при высоких скоростях и частотах

Диэлектрическая проницаемость - это параметр, измеряющий способность материала накапливать электрическую энергию под действием электрического поля. Пленки LCP имеют чрезвычайно низкую диэлектрическую проницаемость, обычно от 2,9 до 3,5, что делает их идеальными для высокоскоростных и высокочастотных применений. Чем ниже диэлектрическая проницаемость, тем быстрее электрический сигнал проходит через материал, что увеличивает общую скорость передачи данных. В то же время низкие значения Dk помогают уменьшить задержку и искажения сигнала, особенно при передаче высокочастотных сигналов. Низкая диэлектрическая проницаемость позволяет LCP сохранять отличные характеристики на частотах выше 10 ГГц, что делает их пригодными для использования в диапазонах миллиметровых волн и в коммуникационном оборудовании 5G.

Диэлектрические потери - это потери энергии, преобразуемой материалом в тепло под действием электрического поля, и отражают потери энергии материала при проведении сигнала. Диэлектрические потери LCP чрезвычайно малы, обычно в диапазоне от 0,002 до 0,004. Его энергетические потери остаются небольшими даже на высоких частотах. Низкое значение Df означает, что при передаче сигнала на высоких частотах теряется меньше энергии, что очень важно для сохранения целостности сигнала и уменьшения шумовых помех. Особенно в диапазоне ГГц низкие диэлектрические потери эффективно снижают затухание сигнала в канале передачи и обеспечивают целостность данных на больших расстояниях или на высоких скоростях. Материалы LCP выделяют меньше тепла и менее подвержены искажению сигнала или разрушению материала из-за повышения температуры, что обеспечивает стабильную работу в течение длительного времени в высокочастотных и высокотемпературных средах.

Низкая диэлектрическая проницаемость и диэлектрические потери пленок LCP позволяют им работать не только при обычных температурах, но и в широком диапазоне температур (от -50°C до более 250°C). Это делает их идеальными для высокоскоростной и высокочастотной передачи сигналов в экстремальных условиях.

Неизменно низкая диэлектрическая проницаемость и низкие диэлектрические потери пленок LCP (Liquid Crystal Polymer) в высокоскоростных и высокочастотных приложениях являются ключевыми причинами их широкого интереса и использования в современной электронике, связи и высокочастотной передаче сигналов.

Рис. 5 LCP значительно снижает потери при передаче высокочастотных сигналов

3.2 Низкое водопоглощение и низкий коэффициент теплового линейного расширения

Пленки LCP (жидкокристаллический полимер) обладают значительными преимуществами в высокоточной электронике и коммуникационных приложениях благодаря низкому водопоглощению и низкому коэффициенту линейного расширения. Эти две характеристики играют ключевую роль в стабильности работы пленки LCP в жестких условиях эксплуатации, особенно там, где влажность и температура могут резко меняться.

Водопоглощение - это способность материала поглощать воду из окружающей среды. Пленка LCP имеет чрезвычайно низкий уровень водопоглощения, обычно менее 0,04 %. Это означает, что она практически не впитывает влагу, и ее характеристики остаются стабильными даже в условиях высокой влажности. Водопоглощение может существенно повлиять на электрические свойства материала, увеличивая диэлектрическую проницаемость и диэлектрические потери. Однако благодаря чрезвычайно низкому водопоглощению пленок LCP влажность практически не влияет на их электрические свойства, обеспечивая качественную передачу сигнала во влажной среде. Низкое водопоглощение означает, что физические размеры материала не претерпевают значительных изменений в результате поглощения воды, что обеспечивает сохранение высокой точности измерений в условиях колебаний влажности. Эти свойства придают поверхности пленок LCP хорошую влагостойкость, что делает их пригодными для использования в экологически чувствительных электронных упаковках и внешних устройствах для обеспечения дополнительной защиты.

Коэффициент теплового расширения (CTE) - это доля длины материала, которая расширяется с увеличением температуры при ее изменении. Коэффициент линейного расширения пленки LCP обычно находится в диапазоне от 10 ppm/°C до 17 ppm/°C, что значительно ниже, чем у многих других инженерных пластиков и высокочастотных материалов. Низкий коэффициент линейного расширения позволяет пленкам LCP практически не менять размеры при резких перепадах температур, что гарантирует отсутствие деформации при высоких температурах или в условиях циклической работы в горячем и холодном режимах. Это очень важно для прецизионной электроники и высокочастотных цепей, где низкий CTE LCP близок к обычно используемым проводящим материалам, таким как медь, что сводит к минимуму расслоение, растрескивание или разрушение соединений из-за несоответствия расширения при термоциклировании. Особенно в высокоскоростных и высокочастотных печатных платах эта особенность может значительно повысить надежность устройства. Для приложений, требующих очень высокой точности размеров, таких как гибкие схемы, датчики и микроэлектронные корпуса, низкий CTE обеспечивает стабильность размеров пленок LCP при термообработке, обработке и длительном использовании.

Рис. 6 Сравнение потерь передачи до и после поглощения влаги между LCP-подложкой и PI-подложкой

3.3 Высокоразмерная стабильность и барьерные свойства

Пленки LCP (жидкокристаллических полимеров) играют важную роль в высокоэффективных приложениях благодаря их выдающейся стабильности размеров и барьерным свойствам.

Высокая стабильность размеров пленок LCP обусловлена их уникальной молекулярной структурой, особенно жидкокристаллическим расположением молекул, которое позволяет материалу сохранять свой размер и форму при воздействии тепла или напряжения. Коэффициент теплового расширения (CTE) пленок LCP чрезвычайно низок, что делает их практически невосприимчивыми к тепловому расширению или сжатию при повышенных температурах и резких перепадах температур. 17 ppm/°C, в результате чего они практически не подвержены тепловому расширению или сжатию при повышенных температурах и резких перепадах температур. По сравнению с другими полимерными материалами, пленки LCP демонстрируют минимальное изменение размеров при повышенных температурах, что очень важно для термочувствительных устройств. Пленки LCP обладают хорошей термостойкостью и, как правило, могут работать при температурах выше 250°C, сохраняя свои физические размеры и морфологию. Эта характеристика позволяет поддерживать высокую точность в высокотемпературных средах и избегать деформации материала под воздействием тепла.

Кроме того, молекулярное расположение и высокопрочные молекулярные связи пленки LCP придают ей превосходную прочность на разрыв и ударопрочность, позволяя сохранять первоначальную форму и размеры даже при механических нагрузках. Это очень важно для надежности прецизионной электроники. Благодаря такой высокой стабильности размеров пленки LCP широко используются в высокочастотных печатных платах, гибких схемах, прецизионных электронных упаковках и других областях, где требуются высокоточные и стабильные размеры для обеспечения надежности устройств в условиях длительного использования и жестких условий эксплуатации.

Пленки LCP обладают превосходными барьерными свойствами по отношению к газам, влаге, химическим веществам и т. д., что делает их отличным средством для работы в различных жестких условиях. Пленки LCP обладают чрезвычайно высокими барьерными свойствами по отношению к широкому спектру газов (например, кислороду, углекислоте, азоту и т. д.). Это свойство очень важно для продления срока службы электронных компонентов и прецизионного оборудования, особенно там, где требуется предотвращение окисления. Пленки LCP имеют очень низкое водопоглощение, обычно менее 0,04 %, и эффективно блокируют проникновение водяных паров. Это придает им отличную устойчивость во влажной среде и не позволяет влаге влиять на электрические свойства материала. В результате пленки LCP широко используются в электронных устройствах и упаковках, требующих высокой надежности и влагостойкости. Пленки LCP также химически инертны, что делает их устойчивыми к широкому спектру кислот, щелочей, растворителей и химических веществ. Это очень важно для производства и применения в химической, фармацевтической и электронной промышленности, так как позволяет длительное время находиться в агрессивной среде без деградации и повреждения.

Рис. 7 Особая молекулярная структура LCP определяет его уникальные и превосходные характеристики по сравнению с другими термопластичными материалами

3.4 Выдающаяся термостойкость и превосходные свойства чередования горячего и холодного режимов

Термостойкость и свойства чередования горячей и холодной температуры пленок LCP (жидкокристаллического полимера) являются ключевыми факторами, благодаря которым они находят применение в высокотехнологичной электронике, коммуникациях и промышленных приложениях. Эти свойства позволяют пленкам LCP сохранять стабильные физические и электрические характеристики в условиях экстремального изменения температуры, обеспечивая надежность и долговечность устройств.

Термостойкость пленок LCP обусловлена их уникальной молекулярной структурой в жидкокристаллическом состоянии, которая придает материалу отличную стабильность при повышенных температурах. При температурах теплового искажения, обычно составляющих от 250°C до более 320°C, он способен работать в течение длительного времени в экстремально высокотемпературных средах без значительной физической деформации или ухудшения характеристик. Такая высокотемпературная стабильность делает LCP идеальным материалом для электронных и механических приложений в высокотемпературных средах. Пленки LCP сохраняют отличную механическую прочность и электрические свойства при высоких температурах, обеспечивая безопасность и надежность оборудования при эксплуатации в высокотемпературных условиях. Например, в высокочастотных цепях и оборудовании связи 5G пленки LCP сохраняют низкую диэлектрическую проницаемость и низкие диэлектрические потери, обеспечивая отличные характеристики передачи сигнала даже при высоких температурах. Материалы LCP являются самозатухающими и могут быть быстро потушены даже при воздействии источника огня, что делает их превосходными для использования в электронных компонентах, автомобильной, аэрокосмической и других областях, снижая риск пожаров, вызванных высокими температурами или электрическими неисправностями. Риск возгорания из-за высоких температур или электрических неисправностей.

Рис. 8 "Термостойкость пленок LCP, обусловленная молекулярной структурой жидких кристаллов".

Пленки LCP также обладают превосходными свойствами в жаркую и холодную погоду. Под свойствами чередования холодной и горячей погоды понимается способность материала сохранять свою физическую и химическую стабильность при частых изменениях температуры. Пленки LCP превосходно работают в таких условиях, эффективно противостоя механическим нагрузкам, усталости и разрушению материала, вызванному резкими изменениями температуры.

Пленки LCP обладают высокой устойчивостью к тепловому шоку, то есть материал не претерпевает значительных изменений размеров и не растрескивается из-за теплового расширения и сжатия при быстром нагревании и охлаждении. Эта характеристика очень важна для оборудования и компонентов, которые должны испытывать частые перепады температур, например, для аэрокосмической и высокочастотной электроники. В то же время пленки LCP имеют очень низкий коэффициент теплового расширения (обычно от 10 ppm/°C до 17 ppm/°C), что позволяет им подвергаться горячим и холодным циклам без значительных изменений размеров, которые происходят с другими материалами. Это не только повышает долговечность материала, но и предотвращает такие проблемы, как деформация материала, растрескивание или межслойное разделение, которые могут возникать при температурных переходах.

Кроме того, молекулярная структура пленки LCP построена таким образом, что не происходит усталости или ухудшения характеристик после многих циклов нагрева или охлаждения, а механическая прочность и электрические свойства сохраняются в течение долгого времени. Это особенно важно для высокочастотной передачи сигналов и прецизионной электроники, обеспечивая их долговременную стабильность в экстремальных условиях эксплуатации.

По сравнению с другими высокоэффективными материалами, такими как полиимид (PI) и политетрафторэтилен (PTFE), пленки LCP не только обладают более высокой теплостойкостью, но и лучше проявляют свои свойства при попеременном нагреве и охлаждении. Хотя пленки из ПИ превосходят по теплостойкости, они имеют высокий коэффициент теплового расширения, что делает их подверженными размерной нестабильности при частом циклировании горячего и холодного. Хотя PTFE обладает лучшей химической стойкостью, его механическая прочность и электрические свойства не так хороши, как у LCP в высокочастотных приложениях.

3.5 Превосходные механические свойства (высокая прочность, высокий модуль упругости)

Пленки из жидкокристаллического полимера (LCP) обладают превосходными механическими свойствами, в частности высокой прочностью и высоким модулем упругости, что делает их идеальными для применения в областях, где требуется устойчивость к механическим нагрузкам и высоким напряжениям. Уникальная молекулярная структура придает материалу чрезвычайно сильные механические свойства, сохраняя при этом легкость и стабильность размеров. Высокая прочность пленок LCP является результатом высокоупорядоченной жидкокристаллической структуры молекулярных цепей, которые образуют регулярное расположение в направлении растяжения, обеспечивая превосходное сопротивление растяжению и разрушению при механических нагрузках. Прочность на растяжение пленок LCP обычно составляет от 150 МПа до 300 Прочность на растяжение пленок LCP обычно достигает от 150 МПа до 300 МПа, что намного выше, чем у многих традиционных полимеров. Это означает, что пленки LCP менее подвержены разрушению или деформации при механическом воздействии и могут эффективно противостоять внешним растягивающим нагрузкам. Хотя LCP-материал обладает высокой прочностью благодаря своей жесткости, его ударопрочность также достаточна для некоторых применений. Способность сохранять стабильные механические свойства при воздействии внешних ударов или вибрации делает его очень надежным в электронных устройствах, автомобильной электронике и промышленных приложениях. Несмотря на высокую прочность, пленка LCP имеет низкую плотность (примерно 1,4-1,6 г/см³), что делает ее легким, высокоэффективным материалом, подходящим для использования в областях с жесткими требованиями к весу, таких как аэрокосмическая промышленность и бытовая электроника. Пленка LCP обладает чрезвычайно высоким модулем упругости, который является мерой жесткости материала, в результате чего пленка LCP демонстрирует превосходную жесткость и устойчивость к деформации. Модуль Юнга пленки LCP обычно находится в диапазоне 10 ГПа. Модуль Юнга пленки LCP обычно находится в диапазоне от 10 ГПа до 25 ГПа, что означает очень малую упругую деформацию под действием напряжения. Это свойство позволяет ей сохранять высокую степень стабильности формы в прецизионных конструкциях, которые менее подвержены изгибу или деформации. Высокий модуль упругости LCP-пленки также означает, что она сопротивляется деформации при изгибе, что очень важно для приложений, требующих механической стабильности и усталостной прочности, таких как гибкие печатные платы (FPC) и антенны. Благодаря высокому модулю упругости пленка LCP демонстрирует минимальную деформацию под нагрузкой, что особенно важно в сценариях, требующих высокой точности и сохранения размеров, таких как упаковка электронных компонентов, материалы для антенн и микромеханические структуры.

Пленки LCP не только демонстрируют высокую прочность и модуль упругости при комнатной температуре, но и сохраняют свои превосходные механические свойства при повышенных температурах. ПленкиLCP могут сохранять высокую прочность и модуль упругости при повышенных температурах свыше 250°C без значительной деградации из-за повышения температуры. Это делает их идеальными для механических применений в высокотемпературных средах, таких как высокотемпературное электронное оборудование и компоненты автомобильных двигателей. Прочность в низкотемпературных средах: Пленки LCP сохраняют свою высокую прочность и жесткость и при низких температурах, а также могут демонстрировать хорошие механические свойства даже при экстремальных температурах, поэтому они используются в широком спектре аэрокосмического и военного оборудования, особенно в условиях низких температур и высоких нагрузок.

Рис. 9 LCP используется в авионике благодаря своей механической прочности и электрическим свойствам

Таблица 2. Основные свойства пленок из жидкокристаллического полимера (ЖКП)

4 Заключение

Пленки LCP являются ведущими материалами для высокопроизводительных приложений благодаря уникальному сочетанию свойств. Пленки LCP имеют стабильно низкие диэлектрические постоянные и потери, чрезвычайно низкое водопоглощение и низкие коэффициенты теплового расширения, что позволяет им сохранять работоспособность даже в жестких условиях эксплуатации. Пленки LCP обладают превосходной стабильностью размеров, высокой прочностью и отличной устойчивостью к температурным колебаниям, что делает их пригодными для различных применений, включая высокочастотные печатные платы, гибкие схемы и прецизионную электронную упаковку. Пленки LCP обладают сбалансированными механическими, тепловыми и диэлектрическими свойствами по сравнению с другими высокопроизводительными материалами, что обеспечивает надежность в экстремальных условиях. Поскольку электронные устройства продолжают двигаться к более высоким частотам и миниатюризации, пленки LCP будут играть ключевую роль в поддержке этих технологических достижений.

Stanford Advanced Materials (SAM) является ключевым поставщиком высококачественных пленок LCP, поддерживая эти критически важные приложения надежными материальными решениями.

Связанное чтение:

Жидкокристаллический полимер

Жидкокристаллические полимеры с основной цепью для оптических применений